鋼筋混凝土梁長(zhǎng)期與短期加載裝置研制

黃海東， 向中富

(重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期和短期荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為，是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全性和長(zhǎng)期使用性能的重要指標(biāo)。以橋梁工程為例，在汽車(chē)、人群等短期荷載作用下，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形，而在自重、預(yù)應(yīng)力荷載作用下，由于混凝土的徐變作用，引起結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期變形及內(nèi)力重分布。特別是大跨度連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋由于長(zhǎng)期的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失及結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等因素的影響，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及材料特性不斷變化，橋梁開(kāi)裂及下?lián)喜『?yán)重且持續(xù)惡化，受到工程界的普遍關(guān)注[1～8]。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性，建設(shè)完成的橋梁在正式投入使用之前，必須進(jìn)行荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。然而結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期行為無(wú)法做到“事前”判斷，需要依賴(lài)材料和結(jié)構(gòu)模型的徐變?cè)囼?yàn)。

目前，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的短期、長(zhǎng)期行為試驗(yàn)方法,加載設(shè)備及測(cè)試手段已經(jīng)相對(duì)較為完備。其中混凝土材料徐變測(cè)試一般采用標(biāo)準(zhǔn)試件的壓縮試驗(yàn)，主要采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM C512)[9]及國(guó)內(nèi)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]。國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)加載設(shè)備主要采用定型設(shè)備購(gòu)置或依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿制和加工[11]。與標(biāo)準(zhǔn)壓縮徐變?cè)囼?yàn)不同，梁式結(jié)構(gòu)徐變?cè)囼?yàn)除了要求所施加的荷載保持長(zhǎng)期恒定外，還要求較高的加載噸位，特別是研究高應(yīng)力條件下的非線性徐變問(wèn)題。針對(duì)混凝土梁式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期徐變?cè)囼?yàn)尚無(wú)統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)加載裝置主要根據(jù)研究目標(biāo)、內(nèi)容研制。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的調(diào)研發(fā)現(xiàn)[12～15]，目前常采用的梁體徐變加載方式包括：堆載加載法、反力式加載法及杠桿增力法等。其中，反力式加載法由于具有加載操作方便、加載過(guò)程安全性高及占地面積較小等優(yōu)勢(shì)，而被廣泛采用。然而現(xiàn)有試驗(yàn)梁徐變加載設(shè)備往往功能單一、重復(fù)利用率不高，造成實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)和資源的不必要浪費(fèi)。本文在充分考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有場(chǎng)地和設(shè)備條件的基礎(chǔ)上，研制一種新的多功能混凝土梁長(zhǎng)期徐變兼顧短期加載裝置。

1 加載設(shè)備研制與配套測(cè)試系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)加載裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)梁式結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)和長(zhǎng)期徐變變形測(cè)試，加載裝置要同時(shí)滿(mǎn)足靜力加載及長(zhǎng)期持載作用。以反力式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用加載結(jié)構(gòu)模塊化思路，設(shè)計(jì)了多層分配體系的反力加載裝置(見(jiàn)圖1)，設(shè)計(jì)可施加的最大靜載為35 t，長(zhǎng)期持載噸位為30 t。加載裝置設(shè)計(jì)為由3道橫向分配梁和1道縱向分配梁所組成的3層式結(jié)構(gòu)。最上層為加載層，滿(mǎn)足加載千斤頂、壓力計(jì)安裝和加載要求；第2層為持載層，由4個(gè)10 t持載彈簧組成，通過(guò)彈簧的彈性變形，消除加載裝置由于自身松弛的影響，保證長(zhǎng)期加載的恒定；第3層為荷載分配層，采用分配鋼梁橫、縱向交叉布置，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)梁多點(diǎn)彎曲加載。豎向拉桿采用兩根R32精軋螺紋鋼，并聯(lián)3個(gè)橫向分配梁，并采用螺帽及配套剛墊板鎖定，拉桿下端錨固于試驗(yàn)室反力槽內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)理念，豎向拉桿在第1層被劃分為兩段，并用專(zhuān)用連接器進(jìn)行接長(zhǎng)連接。待完成靜力加載后，可拆卸第1層結(jié)構(gòu)，而依靠第2、3層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期持載。

1.2 試驗(yàn)梁測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)梁測(cè)試系統(tǒng)包括加載設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和試驗(yàn)梁測(cè)試系統(tǒng)兩部分。加載設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由布置于千斤頂頂部的壓力傳感器和安裝于豎向拉桿鋼弦式應(yīng)變計(jì)(E1、E2)組成。傳感器E1、E2主要用于拉桿受力不均勻性監(jiān)測(cè)，避免加、卸載過(guò)程中加載裝置產(chǎn)生橫向偏位，同時(shí)也用于拉桿長(zhǎng)期蠕變變形監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)梁測(cè)試系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)研究目的和重點(diǎn)考察的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。以本項(xiàng)目試驗(yàn)為例，測(cè)試內(nèi)容包括荷載作用下試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期、短期的撓度及應(yīng)變觀測(cè)。撓度觀測(cè)采用千分表進(jìn)行測(cè)量，分別布置于梁支座位置、跨中及左右L/4處。為保證撓度長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，在跨中及左右L/4處橫向設(shè)置兩塊千分表進(jìn)行復(fù)測(cè)，千分表編號(hào)為A1～A5，A1-1～A3-1。應(yīng)變測(cè)試元件包括埋入式應(yīng)變計(jì)、表貼式應(yīng)變計(jì)及鋼筋應(yīng)變片。其中埋入式應(yīng)變計(jì)布置于試驗(yàn)跨中上、下截面及左右L/4截面，編號(hào)為D1～D4。表貼式應(yīng)變計(jì)布置在試驗(yàn)梁跨中截面腹板與翼緣板交界處及L/4截面附近，編號(hào)為C1～C4。電阻應(yīng)變片安裝在跨中截面上下緣縱向鋼筋及左右L/4截面箍筋，試驗(yàn)梁測(cè)試系統(tǒng)詳見(jiàn)圖2。

1.3 試驗(yàn)操作流程

靜載加載過(guò)程中，首先預(yù)緊拉桿頂、底部螺帽，調(diào)整各橫向分配梁的水平度和拉桿的豎直度。精確調(diào)整千斤頂?shù)钠矫嫖恢茫_保整個(gè)加載裝置不發(fā)生橫向及縱向變形。此后，施加最大加載工況10%初始荷載，根據(jù)E1、E2讀數(shù)確定拉桿在加載過(guò)程中拉力增量。保證兩根拉桿受力同步、均勻，要求E1、E2讀數(shù)差小于5%,如不滿(mǎn)足需要,再次調(diào)整千斤頂位置。靜載加載完成后，將中橫梁上端錨固螺栓旋緊，千斤頂卸載，依靠壓力彈簧保持對(duì)梁體的持續(xù)加載作用。

2 短期及長(zhǎng)期荷載效應(yīng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)為工字型梁，跨徑300 cm，梁高50 cm,腹板厚度為7 cm，具體尺寸如圖3所示。試驗(yàn)梁混凝土水灰比設(shè)計(jì)為0.37,28 d立方體抗壓強(qiáng)度為56.4 MPa。為保證試驗(yàn)梁在加載過(guò)程中不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在梁體支座位置處預(yù)埋1 cm厚鋼墊板。由于試驗(yàn)梁翼緣板及腹板厚度較小，普通鋼筋設(shè)計(jì)為單層，其中縱向筋為R12鋼筋,箍筋為R8鋼筋.試驗(yàn)梁下緣設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋采用單根低松弛鋼絞線φj15.2，張拉噸位為4 t。

首先對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行逐級(jí)循環(huán)加、卸載，試驗(yàn)梁最大峰值荷載為30 t，整個(gè)加載過(guò)程共分為4個(gè)加卸載循環(huán)、41個(gè)荷載步。每級(jí)荷載穩(wěn)載5 min，待結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定后，讀取撓度及應(yīng)變讀數(shù)。短期荷載試驗(yàn)完成后，即鎖定精軋螺紋鋼筋螺母，保持荷載(12 t)進(jìn)行長(zhǎng)期變形觀測(cè)。試驗(yàn)梁長(zhǎng)期及短期荷載作用試驗(yàn)均在重慶交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室大廳內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)最低溫度為7 ℃，最高溫度為32 ℃。環(huán)境濕度變化范圍為60%～85%。

2.2 試驗(yàn)梁整體變形規(guī)律及整體剛度分析

對(duì)于一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁，處于簡(jiǎn)支狀態(tài)，在單調(diào)加載時(shí),其荷載變形曲線近似為三折線。其中:Pcr為開(kāi)裂荷載;Pu為鋼筋屈服荷載。在單調(diào)加載過(guò)程中，荷載變形曲線以Pcr及Pu為拐點(diǎn)，分為三階段。當(dāng)荷載PPcr后試驗(yàn)梁開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，并隨著荷載的增加裂縫不斷發(fā)展，此時(shí)荷載變形曲線均為線性關(guān)系。當(dāng)普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到屈服時(shí)(P>Pu)，結(jié)構(gòu)變形迅速增大，直至破壞。圖4(a)為試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)荷載變形關(guān)系曲線。

(a)梁跨中撓度荷載曲線圖

(b)試驗(yàn)梁整體變形剛度

在循環(huán)加、卸載過(guò)程中，當(dāng)外荷載PPcr時(shí)，由于結(jié)構(gòu)開(kāi)裂及鋼筋與混凝土之間的滑移導(dǎo)致試驗(yàn)梁在卸載后存在殘余變形，卸載后殘余變形為f1。再次加載(荷載PPcr1),由于有新的裂縫產(chǎn)生，試驗(yàn)梁變形迅速增大，載-變形曲線呈現(xiàn)非線性特征。繼續(xù)加載至Pcr2，卸載后殘余變形為f2，再次加載(荷載P>Pcr2)時(shí)，其荷載變形曲線仍與單調(diào)加載開(kāi)裂后曲線重合。在循環(huán)加載及卸載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)荷載變形關(guān)系曲線以卸載點(diǎn)Pcri為拐點(diǎn)，卸載后繼續(xù)加載剛度可以理解為結(jié)構(gòu)的割線剛度，受卸載點(diǎn)及殘余變形等因素影響。試驗(yàn)梁在4次加卸載循環(huán)中，卸載荷載P分別為10、16.5、23.3和30 t，其割線剛度分別為129.4、98.2、80.0、77.5 MN/m。由此不難發(fā)現(xiàn)，隨了加載峰值P的不斷增大，其卸載后繼續(xù)加載剛度(割線剛度)不斷衰減，分別為試驗(yàn)梁彈性狀態(tài)結(jié)構(gòu)剛度的75.9%、61.8%、59.9%。試驗(yàn)梁在循環(huán)加、卸載過(guò)程中，由于受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂，以及在重復(fù)荷載作用下鋼筋與混凝土粘結(jié)力退化，相對(duì)滑移增加，使結(jié)構(gòu)在卸載后存在殘余變形。殘余變形的大小與加載峰值有關(guān)。即加載峰值越大，其殘余變形越大。試驗(yàn)梁加載峰值為3.0Pcr時(shí)，其卸載后殘余變形為最大彈性變形的1.65倍。

剛度是表征結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形情況的重要參數(shù)。在短期荷載作用下，研究試驗(yàn)梁開(kāi)裂前后結(jié)構(gòu)剛度變化特點(diǎn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)變形剛度的描述一般以荷載變形曲線為基礎(chǔ)，包括切線剛度法和割線剛度法。文中采用荷載增量ΔP與撓度增量Δf的比值來(lái)表征試驗(yàn)梁不同受力階段的變形剛度K。采用多段直線對(duì)試驗(yàn)梁加、卸載全過(guò)程的荷載-變形曲線進(jìn)行擬合，分析試驗(yàn)梁在不同荷載作用和結(jié)構(gòu)開(kāi)裂條件下的變形剛度衰變規(guī)律，其中,K1為開(kāi)裂前結(jié)構(gòu)剛度;K2為開(kāi)裂后結(jié)構(gòu);K3、K4等為重復(fù)加、卸載結(jié)構(gòu)剛度，見(jiàn)圖4(b)。試驗(yàn)梁開(kāi)裂后變形剛度降低為開(kāi)裂前的32%。卸載及加載變形剛度K5為開(kāi)裂前剛度的60%。在靜力循環(huán)加卸載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)、變形規(guī)律與傳統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果相吻合，表明加載裝置滿(mǎn)足短期靜載試驗(yàn)技術(shù)要求。

2.3 長(zhǎng)期徐變變形分析

完成短期靜載試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)采集后，鎖定緊固螺母，維持長(zhǎng)期荷載12 t，即開(kāi)始長(zhǎng)期加載試驗(yàn)，試驗(yàn)梁跨中截面長(zhǎng)期長(zhǎng)度、應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)圖5。不難看出，由于混凝土的徐變效應(yīng)，即使外荷載維持恒定，梁體撓度及截面變形仍隨時(shí)間持續(xù)增加。在第300 d時(shí)，試驗(yàn)梁跨中截面徐變變形已經(jīng)增大到2.62 mm，此后徐變變形增大趨勢(shì)逐漸變緩。與徐變撓度發(fā)展規(guī)律相似，跨中截面上緣混凝土處于彎曲壓縮狀態(tài)，壓縮變形也隨持載時(shí)間的增加而變大，在第300 d時(shí)壓縮變形增大至-690×10-6(見(jiàn)圖5(b))。另外在70～100 d附近，各梁下?lián)霞盎炷翂嚎s變形曲線均存在明顯轉(zhuǎn)折，這一時(shí)間段恰為環(huán)境溫度和濕度轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？梢?jiàn)環(huán)境溫、濕度變化對(duì)試驗(yàn)梁長(zhǎng)期變形均有不同程度的影響。

(a)跨中截面長(zhǎng)期變形

(b)跨中截面上緣長(zhǎng)期壓縮變形

混凝土梁的裂縫與長(zhǎng)期徐變變形存在耦合關(guān)系：一方面，由于裂縫的存在導(dǎo)致梁體剛度降低、變形增大；另一方面，在梁體變形持續(xù)增加的過(guò)程中，既有裂縫的長(zhǎng)度和裂縫跨度也不斷發(fā)展。對(duì)于大跨度混凝土梁式橋，這種裂縫與變形之間的惡性循環(huán)關(guān)系將對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性產(chǎn)生不利影響。由于目前考慮徐變與裂縫相互作用的分析理論尚不完善，同時(shí)由于對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性均有較高要求，相關(guān)問(wèn)題的試驗(yàn)研究進(jìn)展不大。為了研究斜裂縫在長(zhǎng)期持載下的變化規(guī)律，在試驗(yàn)梁斜裂縫區(qū)混凝土表面安裝了表貼式應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)裂縫區(qū)的發(fā)展。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：應(yīng)變計(jì)C2讀數(shù)為先產(chǎn)生拉伸變形而后進(jìn)入壓縮狀態(tài)，在第65 d時(shí)拉伸變形達(dá)到172×10-6，而370 d時(shí)為壓縮變形-211×10-6。在前65 d內(nèi)裂縫寬度增大22 μm，而后裂縫寬度不斷縮小，370 d時(shí)縮小27 μm。初步分析原因可知，裂縫處混凝土的長(zhǎng)期變形實(shí)際上包括收縮變形及徐變變形兩部分。其中徐變變形方向與初始彈性變形方向一致，表現(xiàn)為裂縫的加寬；而收縮變形則表現(xiàn)為裂縫寬度的減小。當(dāng)收縮變形大于徐變變形時(shí)便出現(xiàn)裂縫寬度隨持載時(shí)間的增加而不斷變小的現(xiàn)象。

圖6 試驗(yàn)梁斜裂縫區(qū)長(zhǎng)期變形

3 有限元模擬分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的合理性，采用Adina軟件對(duì)工字型試驗(yàn)梁進(jìn)行仿真分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，取1/2梁長(zhǎng)建模。鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋采用truss單元模擬，混凝土采用3D-solid單元模擬。模型中包含606個(gè)3D-solid單元及403個(gè)truss單元(見(jiàn)圖7)。為防止模型在加載點(diǎn)、支座及張拉錨固點(diǎn)處出現(xiàn)集中破壞，設(shè)置剛性單元，避免分析結(jié)果不收斂。工字梁有限元模型如圖3所示?；炷敛牧蠈傩园碈50混凝土取值，其中單軸極限抗壓強(qiáng)度32.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.65 MPa，初始切線彈模為34.5 GPa。普通鋼筋采用兩種材料形式，一種為常規(guī)鋼筋模型，另一種為受拉鋼筋帶模型。其中常規(guī)鋼筋模型采用理想雙線性彈塑性材料模擬鋼筋，彈性模量為200 GPa，屈服應(yīng)力為335 MPa。受拉鋼筋帶模型彈性模量為307 GPa，臨界開(kāi)裂應(yīng)力35 MPa，屈服應(yīng)力為335 MPa。

試驗(yàn)梁計(jì)算分析中，采用N-R法進(jìn)行迭代，計(jì)算試驗(yàn)梁加、卸載全過(guò)程結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布。受拉側(cè)普通鋼筋分別采用常規(guī)鋼筋模型及受拉鋼筋帶模型進(jìn)行計(jì)算，圖8為試驗(yàn)梁跨中截面計(jì)算值與試驗(yàn)值。采用兩種鋼筋模型時(shí)，單調(diào)加載曲線較為接近，但極值荷載變形量相差較大。另外，由于常規(guī)鋼筋模型未考慮鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移效應(yīng)，因此殘余變形量原小于試驗(yàn)值，而受拉鋼筋條帶模型通過(guò)修正的鋼筋本構(gòu)來(lái)考慮鋼筋與混凝土黏結(jié)力的不斷退化，因此計(jì)算殘余變形量與實(shí)測(cè)值較為接近。主要區(qū)別為受拉鋼筋條帶模型卸載殘余變形接近測(cè)試值，而常規(guī)鋼筋模型計(jì)算最大殘余變形值僅為試驗(yàn)值的10%。

Adina軟件采用彌散型裂縫模擬混凝土的開(kāi)裂及壓碎等情況，計(jì)算中根據(jù)混凝土單元高斯積分點(diǎn)的應(yīng)力情況判別結(jié)構(gòu)是否開(kāi)裂。達(dá)到開(kāi)裂后，在相應(yīng)的積分點(diǎn)上設(shè)置開(kāi)裂標(biāo)記。D梁極值荷載條件下計(jì)算裂縫分布與實(shí)際裂縫分布見(jiàn)圖9。

圖8 試驗(yàn)梁有限元分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

圖9 試驗(yàn)梁計(jì)算裂縫與實(shí)測(cè)裂縫分布

4 結(jié) 論

為開(kāi)展混凝土梁長(zhǎng)期與短期荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為試驗(yàn)研究，成功研制了反拉式多功能加載裝置。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，使得該系統(tǒng)不但可以滿(mǎn)足短期靜載試驗(yàn)要求，而且在長(zhǎng)期加載狀態(tài)下，加載系統(tǒng)能夠保持荷載恒定，滿(mǎn)足梁式結(jié)構(gòu)徐變?cè)囼?yàn)技術(shù)要求。主要結(jié)論及建議如下：

(1) 通過(guò)開(kāi)展3 m鋼筋混凝土的循環(huán)加、卸載試驗(yàn)以及在長(zhǎng)期持載條件下的徐變變形試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了加載裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

(2) 由于混凝土長(zhǎng)期變形受環(huán)境溫濕度變化影響顯著，為消除環(huán)境因素對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，應(yīng)采用必要的環(huán)境溫度、濕度控制措施。同時(shí)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮環(huán)境因素。此外，由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形測(cè)試周期往往較長(zhǎng)，因此測(cè)試元器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性也是決定試驗(yàn)結(jié)果的重要因素。

(3) 該系統(tǒng)具有操作容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及性能可靠等優(yōu)勢(shì)。加載系統(tǒng)中所采用的構(gòu)件均為工程實(shí)驗(yàn)室常備式構(gòu)件，因此裝配、拆卸方便，造價(jià)較低，滿(mǎn)足相關(guān)試驗(yàn)與教學(xué)使用要求。